专利名称：柴油机燃烧的控制方法
技术领域：
本发明涉及柴油机控制领域，更具体地涉及柴油机的燃烧控制。 柴油机的工作是基于空气、燃烧过的气体和燃油的混合物的自行着火。柴油机工
作循环可分成若干个阶段(
图1): 在进气(A匿)时，进气阀(SADM)允许空气和燃烧过的气体的混合物进入燃烧室 (CHB)。空气是取自柴油机的外部环境。燃烧过的气体是取自排气总管(ECH)并被送回到 进气总管(排气再循环EGR)。这些气体混合物充满燃烧室(CHB)并与从之前的燃烧残留在 燃烧室内的燃烧过的气体(内部ERG)相混合； 进气阀关闭(IVC)。活塞(PIS)压縮燃烧室内的气体混合物； 燃油喷射器(INJ)喷射精确定量的燃油，在一个短暂的自燃滞延期之后，空气、
燃烧过的气体和燃油的混合物着火，由此形成将活塞向回推的过压； *在活塞再次回到下位时，排气阀(SEffl)开启，于是气体混合物通过排气总管排出。 在排气阀关闭之后，一部分气体留在汽缸内(内EGR)。通过排气总管排出的气体被分成两 部分。 一部分被引向进气口而进行再循环(EGR)，其余部分经由排气管路从柴油机排出。
控制柴油机的目的是为了给驾驶员提供所需的扭矩，同时使噪声和污染物排放降 至最低。因此必须尽可能精细地控制不同气体和燃油的量。
背景技术：
为了控制柴油机燃烧的开始点，已知的一些方法允许借助安装在柴油机内的各检 测器来测定燃烧介质。最精确的装置是压力检测器。这样的一种方法例如描述于以下文件 中 J. Bengtsson， P. Strandh， R. Johansson, P. T騰stal禾口 B. Johansson, 〃均质充 气压縮着火(HCCI)柴油机动态特性的控制(Control ofHomogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)EngineDynamics) 〃 2004年6月30日-7月2日波士顿2004美国控制会 议学报。 然而，由于那些检测器的成本相当高，可能无法考虑在标准车辆上采用那些检测 器。而且，这些检测器一般会相当快地发生漂移。 还有些已知的方法，其中在每个静态工作点(柴油机速度和扭矩)对各个量和定 时进行优化，以在每个点推导出一个理想的策略。因此，需要进行试验台校准以获得主要两 组数据的优化值 燃烧室内所需的空气质量和燃烧气体质量Mw表示为= M&， Mgb)，
喷射的燃油质量Mf和喷射燃油时的曲柄角9 f，表示为Xfml = (Mf， e f)。
然而，这些策略在过渡阶段是不够用的。事实上，在从一个工作点至另一工作点的 过渡阶段内(车辆速度或路况的变化)，柴油机控制系统管控着存在于柴油机中的各个致 动器，以保证所需要的扭矩，同时使噪声、污染物排放和耗油率降至最低。这因此可被解释 为从初始点的参数值至终止点的参数值的变化。
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咖a/
(") 现在，柴油机中有两个时间比例。较快的一个(50Hz)对应于整个燃烧现象(柴油 机的一个工作循环)。在该比例下，可改变喷射策略(XfuJ来控制燃烧。这是燃油环路(见 (b))。较慢的一个(1Hz)对应于柴油机各总管(进气总管、排气总管、燃烧过的气体再循环 总管)中的气体动态特性。这一空气环路(Xai》的策略不可能被较快地改变(见(a))。
用现有的各个方法，由于有这种动态特性差别，所以受控的变量(X&， XfuJ不会 同时到达其设定点值。 一些参数几乎瞬间地到达其最终设定点值，而另一些参数仍然处于 最初设定点值，于是，柴油机产生较高的污染物排放或噪声，甚至在某些情形下会停转。
因此，本发明的目的涉及一种能够在过渡阶段条件下对柴油机燃烧的开始点进行 控制的方法。 这种方法通过相互独立地控制这两个动态环路而达到所述目的独立地控制较慢 的环路(空气环路)并使较快的环路(燃油环路)的动态特性自动适应，而与较慢的环路
相一致。 本发明的另一目的涉及一种能够应用本发明的方法的柴油机。
发明才既述 本发明涉及一种控制柴油机的燃烧的方法，包括 为与燃烧室内的气体氧化剂进入量相关联的各物理参数确定设定点值，以及为
必须向燃烧室内喷射燃油时的曲柄角确定设定点值e in/sf，所述各设定点值是确定为可使
燃烧为最佳；，柴油机控制系统，其能够以让所述各物理参数的值等于所述各设定点值的方式 控制各个致动器。 这种方法还包括以下步骤 在所述各物理参数到达其设定点值之前，通过考虑所述各物理参数的真值和这
些物理参数的所述设定点值之间的差值来校正设定点值e in/rf ;以及，所述柴油机控制系统能够在曲柄角等于所述经校正的设定点值9 in/rf时控制向
燃烧室内的燃油喷射，以保持燃烧为最佳。按照本发明，校正量d e inj可采用下列步骤来确定 估算所述各物理参数的所述真值； 计算所述各真值和所述各设定点值之间的所述差值dP、 dT和dX ; 计算各线性化系数a P， a T和a x，可通过将爆震积分线性化到第一阶而对这些
系数加以定义； 应用以下算式计算校正量d e
inj
d 9
inj
dP+ a t. dT+ a x. dX 各物理参数可选自阀门关闭时的下列参数中的至少一个燃烧室内的压力(PITC)、 燃烧室内的温度(U、以及燃烧室内的燃烧过的气体的质量和总气体质量之间的比例 (XIVC)。 可利用在柴油机试验台上建立的设定点映射以传统的方式来确定各设定点值。
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最后，本发明还涉及一种柴油机，其包括至少一个燃烧室、一个用于将燃油喷射入 所述燃烧室的系统、供气体氧化剂进入燃烧室的至少一个进气管路、能够控制各致动器的 柴油机控制系统、用于确定那些应被施加于与燃烧室内的气体氧化剂进入量相关联的各物 理参数的设定点值(prrf， rrf， 以及必须向燃烧室内喷射燃油时的曲柄角的设定点值
0 一 这种发动机还包括用于在所述各物理参数到达其设定点值之前通过考虑所述各
物理参数的真值和这些物理参数的所述各设定点值(pref，rrf，rrf)之间的差值来校正设定 点值ein/rf的装置，并且，所述柴油机控制系统能够在曲柄角等于所述经校正的设定点值
e in/6f时控制所述喷射系统而将燃油喷射入燃烧室，以保持燃烧为最佳。 附图简述 本发明的方法和柴油机的其它特点和优点可通过参照附图阅读下文以非限制性
的例子给出的各实施例的说明而看得很清楚，各附图中 图1表示出柴油机的一个工作循环的各个阶段；以及图2表示出燃油喷射角的校正量d e inj的计算流程。 详细说明 本发明的方法允许控制柴油机在静态阶段以及在过渡阶段的燃烧。其包括空气环 路(慢环路)和燃油环路(快环路)的相互独立控制，然后使燃油环路动态特性适应而与 空气环路相协调。因此该方法允许(通过驾驶员的扭矩请求)使Xfud适应而保持所需的燃 烧特征。对排放物和噪声的影响因此而受到限制，同时确保驾驶员所需的扭矩。
按照该方法，柴油发动机的燃烧控制以四个步骤执行
1-确定各物理参数的设定点倌 在从一个工作点至另一个工作点的过渡阶段(车辆速度或路面状况的变化)中， 柴油机控制系统管控着存在于柴油机中的各个致动器以保证所要求的扭矩，同时使噪声、 污染物排放和耗油率降至最低。这因此可被解释为从一个初始点的参数值和XflKl至终 止点的参数值的变化
)r c (")
細/ — A細/ W 为了使燃烧为最佳即烧掉一个最大量的燃油，而使污染物排放和耗油率为最低， 同时使噪声为最小，可对各终止值加以限定。可将这些可使燃烧为最佳的终止值称为设定 点值。柴油机控制就是要强制执行这些设定点值。 对空气环路来说应被调节的并允许把一个设定点值针对X&而定义的几个重要物 理参数如下 'P^:阀门关闭时燃烧室内的压力，它取决于曲柄角9 ;
*1 。阀门关闭时燃烧室内的温度，它取决于曲柄角9 ; XIVC :在阀门关闭时燃烧室内的燃烧过的气体的质量和总气体质量之间的比例 (是一个在0和l之间的参数)，它取决于曲柄角e。 这三个参数的值是可连续测定的。因此我们可假设取得测量值的汽缸和进气总管 内的成分(X)和压力(P)是相同的。我们可借助理想气体定律T,KC = w来估算TIVC，其中R是理想气体常数(R = 287)，而M^是用流量计测得的由汽缸吸入的质量。对于与 柴油机燃烧室内的气体氧化剂进入量相关联的这三个物理参数，设定点值分别表示为Pref， Tref禾口 Xref 。 这些设定点值可从在柴油机试验台上建立的设定点映射来得到这些参数的设定 点值由在试验台上绘制的最佳点(这些参数必须达到的值)给出。可确定这些设定点值以 使燃烧为最佳。 根据本发明，用于使燃油环路适应的重要燃油策略参数是喷射燃油所占用的曲柄
角，其可用9inj表示。其设定点值表示为ein/6f。该值也由在柴油机试验台上绘制出的最
佳点给出。它对应于设定点值prrf， rrf和rrf。 2.苧气环路(惽环路)控制 —旦确定了设定点值prrf， ref和ref，柴油机控制系统就控制各致动器，力使各物 理参数pitc， titc和xITC的值等于这些设定点值(frf， rrf和。 理想地说，这三个参数PIVC， TIVC和XITC应能瞬间地到达它们的设定点值pref， ref和 xref。然而事实上，空气环路的缓慢性导致这些参数在整个过渡阶段内在设定点值和它们的
真值之间有误差。所以应使燃油环路适应这些参数上的误差。喷射角9in/6f的设定点值因
而也被迫适应。
3.柃if喷射角e .、/ef的设定点倌 为了在所述各物理参数到达它们的设定点值之前使喷射角的设定点值e in/6f适
应，在阀门关闭时间上，应将这些参数的真值(P吣T^和X^)和它们各自的设定点值(Pref，
Tref，Xref)之间的差值考虑在内。可使用下列表示:dP = PIVC_Pref，dT = TIIVC_Tref以及dX =
^IVC"^ref 。 因此，应力求找到一个能使燃烧角es。。的开始点为相同的经校正的新喷射角 C、《:y +辨 ,。该角由『、1^和^{定义。因此我们按下述寻找d e inj: 如果不存在误差，S卩如果所有参数都已到达其设定点值，(dP， dT， dX) = (O，O，
o)，我们就是正处于工作点的状态，因此我们有d e inj = o，，如果各参数没有到达其设定点值，(dP，dT，dX) # (O，O，O)，可引入一个能使燃烧
角e s。。有相同的开始点的角校正量d e inj # o。 随后我们对燃烧系统进行建模。我们因此率先使用"爆震积分"模型作为基础。该 模型描述于下列文件中 K. Swan， M. Shahbakhti and C. R. Koch，"对HCC1柴油机用一种经改进的爆震积 分方法预测燃烧的开始点(Predicting Start of Combustion Using amodified Knock Integral Method for an HCCI Engine)"，刊载于2006年SAE会议的会刊。
按照这一模型，燃烧的开始点不是在燃油喷射后立即就出现的，而是有一个自燃 滞延期，其可用爆震积分形式建模。后者允许从各参数P、T、X和9inj的值确定燃烧角es。。 的开始点 f'。' 1(0) M = 1 其中 P:燃烧室内的压力，取决于曲柄角9 ;
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T:燃烧室内的温度，取决于曲柄角9 ; X :燃烧室内燃烧过的气体的质量与总气体质j
数)，它取决于曲柄角e 。
:之比(是一个在o和l之间的参 g(p,r，i)二
.尸".exp
Ik 乂r乂 A、 Cl、 C2、 n和TA，应被校准的固定物理参数。 于是，我们可认为，气体混合物在燃烧开始点之前是处于绝热压縮状态下。因此可
将关于P(e)， T(e)的知识容易地推论为关于pIve， TIve以及燃烧室容积v(e)的知识，而
后者是完全已知的。而且，在尚未开始燃烧的整个压縮阶段，燃烧过的气体的比例不发生变
化，x(e) =xIve。于是可将爆震积分归纳为下面的积分式 f 。 /(/V, ， I恥,。^ = 1
其中f是附录中定义的一个完全已知的函数。 最后，通过将爆震积分线性化至第一阶，我们可将要提供的校正j
d 9 inj表达为
(我们假定有下列小的扰动d e inj << e inj，
dP < < Pref ， dT < < Tref和dX < < Xref)
d 9
inj
dP+ a t. dT+ a x. dX 线性化系数a P， a T和a x分别表示这三个误差dP， dT， dX对将带给9 inj而能保
持喷射角有相同的开始点的校正量的影响。它们的表达式给出于附录中。 可在柴油机试验台上作试验来校准这一模型的各参数(A， Q， C2， n和TA)。在这些
试验中，可测定从映射得到的设定点数据计算出来的燃烧开始点。随后，利用所选模型可估
算燃烧开始点。然后可改变参数A， Q， C2， n和TA以获得用设定点数据计算出的燃烧开始点
和用模型估算出的燃烧开始点之间的良好关联。 下表给出从这样的校准得出的一组参数的一个例子
参数Ac2nTA
单位(hPa)—ns—1111° K
数值0. 22110. 51. 131732 图2表示出燃油喷射角的校正量d 9 inj的计算方案。在估算PITC， TIVC和XIVC的真
值(EST-ACT)并确定设定点值P"f，r^，X"f和9 in/rf(DET-C0NS)之后，我们可计算差值dP， dT和dX(CAL-DIF)。随后我们计算线性化系数a p， a T和a x (CAL-COEFF)。最后，依照所选 择的燃烧模型(假设前提下的爆震积分)，我们可计算出校正量d e ini. (CAL-COR):
d 9
inj
dP+ a t. dT+ a x. dX 4-燃油环路(快速环路)的适应 发动机控制系统在曲柄角等于经校正的设定点值e in/6f时驱动燃油喷射系统向
燃烧室内喷油以保持燃烧为最佳。 通过将之前的校正施加于喷射角，我们就能确保燃烧角的开始点保持不变。空气 环路逐渐地引导误差dP， dT和dX趋向于零，且这种校正将在稳定后的静态阶段消失。
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这种方法的一个重要好处是它通过几个系数(a p， a T， a x)将空气环路误差直接 关联于应施加于燃油命令的校正量，由于每个量都是完全已知的(函数f、设定点值pref， rrf和，这些系数完全可以计算出。 本发明的方法可用于柴油机。因此，本发明的另一目的涉及能够应用该方法的柴 油机。这种柴油机包括至少一个燃烧室、一个将燃油喷射入燃烧室的系统、供气体氧化剂 进入燃烧室的至少一个进气管路、能够控制各致动器的柴油机控制系统。这种柴油机还包 括用于确定应被施加于与燃烧室内的气体氧化剂进入量相关联的各物理参数的设定点值
(pref， rrf， 的装置，以及确定燃油已喷射入燃烧室时的曲柄角的设定点值ein/6f的装 最后，按照本发明，这种柴油机包括诸如计算器的装置，其用于在所述各物理参数
到达其设定点值之前通过考虑各物理参数的真值和这些物理参数的设定点值(prrf， rrf， xref)之间的差值来校正设定点值ein/6f。这种柴油机还包括一个发动机控制系统，其能够
在曲柄角等于经校正的设定点值e in/6f时控制喷射系统而将燃油喷射入燃烧室，以保持燃
烧为最佳。
0092] 附录
尿l数f的表汰式
在做了下列假设时，函数f以爆震积分形式出现 在燃烧开始点之前，气体混合物是理想的并处于绝热压縮状态
= c饰-尸(6>)=尸化c y (60 r(外K(,1 = ^ r(。 =f (6>)
其中
0093] 0094] 0095] 0096] 0097] 0098]
0099] V(6>)=
0100] 0101] 0102] 0103] 0104] 0105]
0106]
0107] 0108] 0109]
0110]
0111 ] 0112]
:完全已知的容积函数
，)
V^:阀门关闭时的腔室容积 v(e):作为曲柄角之函数的腔室容积 Y (X):绝热压縮参数。其显著地取决于化学成分X。
在尚未开始燃烧的整个压縮阶段，燃烧过的气体比例不发生变化 X ( 9 ) = XIVC
这样，可得出下面的爆震积分
爿
.iVc .v
的exp
/KC
d6 = l
即下面的一般方禾
、王
化,
其中
4 .v
⑨exp——
/4 "I寸(AVc)
⑨
线件化系数(cId, aT， a v)的表汰式 我们有d 9 inj = a p. dP+ a T. dT+ a x. dX
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参数ap， aT， ax表示三种误差dP，dT和dX各自对为了保持燃烧角有相同的开始 点而应带给9inj的校正量的影响。它们的表达式如下
C，
1
f";见『e/,re/,zre/,一 -K 〔7/(","，,e),⑨^、
/(/^,:re,，;r《，^;f) 气汉 ，
〖7 /( re/, Z re/ ， 6). ln(v(。)
介
9
权利要求
一种用于控制柴油机的燃烧的方法，包括为那些与燃烧室内的气体氧化剂进入量相关联的各物理参数确定设定点值以及为燃油必须喷射入所述燃烧室时的曲柄角确定设定点值θinjref，所述各设定点值是确定为能使燃烧为最佳；一个柴油机控制系统，其能够以让所述各物理参数的值等于所述各设定点值的方式控制各个致动器，所述方法的特征在于，包括下列步骤·在所述各物理参数到达其设定点值之前，通过考虑所述各物理参数的真值和这些物理参数的所述设定值之间的差值，校正设定点值θinjref；以及·所述柴油机控制系统在曲柄角等于所述经校正的设定点值θinjref时控制进入燃烧室的燃油喷射，以保持燃烧为最佳。
2. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述校正量(19^是通过采用下列步骤而确定的 估算所述各物理参数的所述真值； 计算所述各真值和所述各设定点值之间的所述差值dP、 dT和dX ; ，计算由将爆震积分线性化到第一阶定义的各线性化系数aP， Qt和ax;以及 应用下面的算式来计算校正量d e inj: d 9 inj = a p. dP+a t. dT+a x. dX。
3. 如前面任何一项权利要求所述的控制方法，其特征在于，所述各物理参数是选自阀 门关闭时的至少下列各参数燃烧室内的压力(P^)、燃烧室内的温度(U、以及燃烧室内 的燃烧过的气体的质量和总气体质量之间的比例(XITC)。
4. 如前面任何一项权利要求所述的控制方法，其特征在于，所述各设定点值是利用在 柴油机试验台上建立的设定点映射来确定。
5. —种柴油机，包括至少一个燃烧室、用于将燃油喷射入所述燃烧室的系统、供气体氧 化剂进入燃烧室的至少一个进气管路、能够控制各致动器的柴油机控制系统、用于确定应被施加于与燃烧室内的气体氧化剂进入量相关联的各物理参数的设定点值(pref， rrf， Xref)以及必须向燃烧室内喷射燃油时的曲柄角的设定点值e in/6f的装置，这种柴油机的特征在于，它包括用于在所述各物理参数到达其设定点值之前通过考虑所述各物理参数的真值和这些物理参数的所述设定点值(Frf， rrf， 之间的差值来校正设定点值e in/rf的装置， 并且所述柴油机控制系统能够在曲柄角等于所述经校正的设定点值e in/rf时控制所述喷 射系统而将燃油喷射入燃烧室，以保持燃烧为最佳。
全文摘要
这种方法包括确定与燃烧室内气体氧化剂进入量相关联的各物理参数的设定点值，以及确定燃油必须被喷射入燃烧室时曲柄角的设定点值θinjref。在柴油机控制系统驱动各致动器以使这些物理参数的值等于各设定点值的同时，在各物理参数到达其设定点值之前，考虑各物理参数的真值和这些参数的设定点值之间的差值来校正设定点值θinjref。最后，当曲柄角等于经校正的设定点值θinjref时，柴油机控制系统控制燃油向燃烧室内的喷射以保持燃烧为最佳。适用于柴油机内的燃烧控制。
文档编号F02D41/38GK101707925SQ200880013120
公开日2010年5月12日 申请日期2008年4月3日 优先权日2007年4月23日
发明者J·肖万, M·希利恩 申请人:Ifp公司